JPH02310372A - 光反応装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光化学反応及び表面反応により薄膜を気相成
長させる光反応装置に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、光反応室内に被膜基体を支持するサセプタを
有し、上記光反応室に設けた窓を介して透過された光源
からの光と上記光反応室内に導入された反応ガスにより
被膜基体に対し薄膜を気相成長させる光反応装置におい
て、上記光反応室近傍に希ガス導入手段と希ガス励起手
段を設けると共に、上記希ガス励起手段を上記サセプタ
に関して非垂直に配して構成することにより、成膜速度
の高速化及び装置の小型化を図るようにしたものである
。

〔従来の技術〕

光ＣＶＤは、例えば特開昭６１−２２４３１８号公報に
より紹介されているように、光子エネルギーの大きな紫
外光もしくは光子密度の高い可視光あるいは赤外光を用
い原料ガス分子内の結合を直接または間接的に励起する
ことより原料ガスを活性化し、低温で基板上に高純度の
薄膜を形成する成長法であり、超高集積回路の製造に不
可欠な技術になるものと予測され、注目を浴びている。

その理由は、単に低温成長が可能であるのみならず、荷
電粒子による損傷がなく低ダメージであり、反応の強さ
をコントロールすることができ延いては良好な膜質の薄
膜を形成することができ、マスクとの組み合わせによっ
て選択的に薄膜を成長させることができるということに
ある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、光ＣＶＤは他の成長法に比較して成膜速
度が数人／ｍｉｎ〜数百入／ｗｉｎと著しく遅いという
問題を有している。この成膜速度が遅いことの大きな原
因は、光ＣＶＤに実際に用いられる光源のエネルギーが
ソースガスとして多く用いられるモノシランＳｉＨ，を
直接解離できる程は高くなく、多光子吸収が支配的なプ
ロセスになってしまうことにある。

即ち、光ＣＶＤに実際に光源として用いられるのはＡｒ
Ｆレーザや低圧水銀ランプであるが、ＡｒＦレーザの光
のエネルギーは６．４ｅＶ、低圧水銀ランプの光のエネ
ルギーは４．９ｅＶである。一方、ＳｉＯ２やＳｉＮの
成長にソースガスとして一般的に用いられるものはモノ
シランＳｉＨ，であるが、モノシランＳｉＨ，の解離エ
ネルギーは７．７ｅＶである。従って、実際に使用する
光源ではモノシラン５ｉｔ（ａを直接解離することがで
きない（換言すれば、現状のＡｒＦレーザのエネルギー
密度や繰返し周期が小さいとも言える）。そのため、光
子を吸収して励起状態にあるガス分子が更に光子を吸収
（即ち、多光子吸収）しないと解離できず、解離が生じ
る確率が低くなるので解離の起きる密度が小さくなる。

このことが成膜速度を著しく遅くする要因となっていた
。

そこで本出願人は、第６図に示すように、内部に被膜基
体例えばウェーハ（２１）を支持するサセプタ（２２）
を配した光反応室（２３）の近傍、特に光反応室（２３
）の上方に希ガス導入手段（２４）とプラズマ生成管（
２５）　、励磁コイル（２６）、マイクロ波導入管（２
７）からなる希ガス励起手段（２８）を設けて成る光反
応装置（Ｃ）を提案した。尚、（２９）及び（３０）は
、反応ガス５ｉ）１４及びＮ）１３を導入する管、（３
１）は光源（３２）からの光（３３）が透過される窓、
（３５）はヒータである。

即ち、この光反応装置（Ｃ）は希ガスの励起準安定状態
を併用することにより、成膜速度を速めるようにしたも
のである。

ところが、上記第６図に示す光反応装置（Ｃ）は、希ガ
ス励起手段（２８）が光反応室（２３）の上方に、即ち
サセプタ（２２）に対して垂直方向に延びるように設け
られるため、装置自体が大型化するおそれがある。しか
も、プラズマ中の荷電粒子の影響を避けるため、プラズ
マ生成管（２５）内のプラズマ生成室（３４）と光反応
室（２３）間の距離ａをある程変離す必要がある。

本発明は、このような点に罵み成されたもので、その目
的とするところは、成膜速度の高速化が実現できると共
に、装置自体の小型化をも図ることができる光反応装置
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の光反応装置は、光反応室（１）内に被膜基体（
３）を支持するサセプタ（２）を有し、光反応室（１）
に設けた窓（５）を介して透過された光源（６）からの
光（７）と光反応室（１）内に導入された反応ガスによ
り上記被膜基体（３）に対し薄膜を気相成長させる光反
応装置（Ａ）において、上記光反応室（１）の近傍に希
ガス導入手段（１５）と希ガス励起手段〔プラズマ生成
管（９）、励磁コイル（１２）　、マイクロ波導波管（
１４））を設けると共に、希ガス励起手段（（９）、　
（１２）。

（１４））をサセプタ（２）に関して非垂直に配して構
成する。

〔作用〕

上述の本発明の構成によれば、希ガス導入手段（１５）
により導入した希ガスを希ガス励起手段（（９）　。

−（１２）、　（１４））により励起し、この励起した
希ガスによって反応ガスを解離することができるため、
解離された反応ガスを用いて光ＣＶＤ等の光反応を生ぜ
しめることができ、反応速度即ち成膜速度を速めること
ができる。

また、希ガス励起手段〔（９）、（１２）、　（１４）
）をサセプタ（２）に関して非垂直になるように配する
ようにしたので、プラズマ生成室（９）と光反応室（１
）間の距離ａを充分に保ちながらも装置自体の小型化を
図ることができる。

〔実施例〕

以下、第１図〜第５図を参照しながら本発明の詳細な説
明する。

第１図は、第１実施例に係る光反応装置（Ａ）を示す模
式的構成図である。この図において、（１）は光ＣＶＤ
を行なう光反応室、（２）は光反応室（１）の底面中央
部において半導体ウェーハ（３）を支持するサセプタを
示す。このサセプタ（２）はヒータ（４）によって所定
温度に加熱される。（５）は光反応室（１）の側壁に設
けられた透明窓であり、光反応室（１）の外部に設置さ
れた光源（例えばＡｒＦレーザ）（６）から出射された
レーザ光（７）を透過させる。（８）は光反応、　　室
（１）内に存するウェーハ（３）の上方へ反応ガス例え
ばＮＨ，を導くガス導入管である。

（９）は光反応室（１）の天井の中央部にその端部が設
けられると共に、その設置部分から上方に延び途中で横
方向、即ちＬ字状に屈曲されてなるプラズマ生成管であ
り、光反応室（１）とその設置部分において連通される
。このプラズマ生成管（９）の横方向に延びる部分、即
ちプラズマ生成室（１０）においてＡｒガスＥＣＲプラ
ズマ（１１）が生成されるようになっている。（１２）
はプラズマ生成管（９）の横方向に延びる部分の外側に
設けられた励磁コイルである。

そして、プラズマ生成管（９）内のプラズマ生成室（１
０）下端、即ち励磁コイル（１２）下端からイオン失活
距離Ｄ（屈曲した距離も含む）だけ下側の位置に反応ガ
ス例えばＳｉＨ４を導くガス導入管（１３）が設けられ
る。

（１４）はプラズマ生成管（９）のプラズマ生成室（１
０）内へマイクロ波（２，４５ＧＨｚ）を導く導波管、
（１５）はプラズマ生成室（１０）内へ希ガス、例えば
アルゴンＡｒを導く希ガス導入管である。

このように、上記実施例に係る光反応装置（Ａ）は光Ｃ
ＶＤ装置にプラズマ生成装置を組合せた構成を有してな
る。

そして、この光反応装置（Ａ）は次のようにして光ＣＶ
Ｄを行なう。

即ち、希ガス導入管（１５）からプラズマ生成管（９）
内のプラズマ生成室（１０）に希ガスであるアルゴンＡ
ｒガスを導くと共に、導波管（１５）を通じて同じくプ
ラズマ生成室（１０）にマイクロ波を導波し、更に励磁
コイル（１２）に電流を流してプラズマ生成室（１０）
に磁界を形成させると、プラズマ生成室（１０）内にお
いてアルゴンＡｒガスプラズマ（１１）が生成され、自
己拡散あるいは磁界により、下方、即ち光反応室（１）
の方向に流れる。

ガス導入管（１３）によりプラズマ生成管（９）内に導
入された反応ガスＳｉＨ，は、プラズマ状態にされたア
ルゴンＡｒのうちの励起準安定状態・にあるＡｒ”ＣＰ
　ｚ）によって直接解離される。なぜなら、ＳｉＨ４は
上述した通り解離エネルギが７．７ｅＶであるのに対し
て　励起準安定状態にあるＡｒ”（’Ｐｇ）は１０ｅＶ
以上の真空紫外域のエネルギを持つからである。このよ
うに解離されて活性種となった５ｉＨｘ“はウェーハ（
３）上に拡散される。

一方、光反応室（１）内にガス導入管（８）によって導
入されたＮＯ３は、ウェーハ（３）上においてレーザ光
（７）によって解離される。なぜなら、ＮＨ３の解離エ
ネルギが５．４ｅＶとＡｒＦレーザ光のエネルギ６．４
ｅＶより低いからであり、励起準安定状態のＡｒ”によ
らなくてもＮｌｈの解離ができる。

しかして、ウェーハ（３）上では励起準安定状態にある
Ａ　ｒ　”　（３Ｐ　ｚ）によって解離された５ｉＨｘ
とレーザ光によって解離されたＮＨ３とが反応してウェ
ーハ（３）上にＳｉＮ膜が成長する。そして、この成長
、即ちＣＶＤ　（化学気相成長）は解離によって活性種
となったガス同士の反応によってなされるものでその成
長速度は従来の光ＣＶＤ装置による場合よりも著しく速
くなり、ひいてはスループットの向上をはかることがで
きる。また、プラズマ生成管（９）をＬ字状に屈曲させ
るようにしたので、装置自体の小型化が図れると共に、
プラズマ生成室（１０）と光反応室（１）間に充分な距
離ａ（屈曲した距離も含む）が保たれるためプラズマ中
の荷電粒子の光反応室（１）内への影響はない。

また、ガス導入管（１３）と励磁コイル（１２）との間
に間隔Ｄ（屈曲した距離を含む）を設けたのは、プラズ
マ生成により生じたイオンがガス導入管（１３）のとこ
ろに来るまでに実質的に失活するようにし、イオンがウ
ェーハ（３）に形成されるデバイスに悪影響を及ぼさな
いようにするためである。また、グリッドを設置し、そ
れに電圧を印加してイオンを補足するようにしても良い
。しかし、このようにイオン失活間隔りを設けたり、電
気的イオン補足手段を設けても上記希ガス導入手段によ
り導入した希ガスを希ガス励起手段により励起し、この
励起した希ガスによって反応ガスを解離することができ
るのは励起準安定状態にあるＡｒ”（’　Ｐ　２）が電
気的に中性で寿命も長いのでガス導入管（１３）により
導入された反応ガスＳｉＨ，を直接解離することができ
るからである。

尚、水素ガスＨ２をＨ原子（ラジカル）にして反応系に
供給することにより成膜速度の向上を図る技術がある（
特開昭６１−２２４３１８号公報）が、この技術では前
段階では放電を必要としており、そのため放電中のイオ
ンやエレクトロンがデバイスに影響を与える虞れがある
。しかし、本光反応装置においては希ガスを一旦寿命の
長いラジカル原子にし、それを用いて光では解離できな
い反応ガスを解離しているのでイオンの影響の虞れがな
く、プラズマダメージの発生する虞れはない。即ち、プ
ラズマダメージの発生する虞れを伴うことなく成膜速度
の高速化を図ることができる。

上記実施例は、プラズマ生成管（９）をほぼＬ字状に屈
曲させて光反応室（１）の上部に配した例を示したが、
その他プラズマ生成管（９）を屈曲させずに光反応室（
１）又はサセプタ（２）に対し所定角度傾斜させるよう
にしてもよい。また反対に、Ｌ字状に屈曲させたプラズ
マ生成管（９）を光反応室（１）の横方向に設置させる
ようにしてもよい。

次に、成膜速度の高速化並びに膜質の向上を図るように
した第２実施例を第２図に基づいて説明する。尚、第１
実施例座対応するものについては同符号を記す。

一般に、光反応装置は５１ｇ４ガス導入口とＮＨ３ガス
導入口とが互いに離れた所に設けられている（第１図及
び第６図参照）。従って、一方のガス導入管により導入
されたＳｉＨ，が解離してレーザ光によって解離された
ＮＨｚと反応するまでに遅れが生じ、これが成膜速度及
び膜質の低下をもたらすおそれがある。

そのため、この第２実施例に係る光反応装置（Ｂ）にお
いては、第２図に示すように、ＮＨ，ガス導入管（８）
の導入口（８ａ）をＳｉＨ４ガス導入管（１３）の導入
口（１３ａ）の近傍に設置して成る。

この第２実施例によれば、励起準安定状態にあるＡｒ１
１（’Ｐｚ）によりＳｉソースガスであるＳｉＨ４が直
接解離され、一方、Ｎソースガスである１ＪＨ３が図示
の如く励起準安定状態にあるＡ’ｒ”により解離される
と共に、レーザ光（７）でも解離される。このとき、Ｓ
ｉＨ，ガス導入口（１３ａ）とＮ１１３ガス導入口（８
ａ）が近いため、解離された５ｉＨｘとＮＨ，の反応が
解離後すぐ発生することとなり、成膜速度及び膜質が向
上する。

尚、上記第２実施例は、ＳｉＨ４ガス導入管（１３）の
近傍にＮＨ，ガス導入管（８）を設けるようにしたが、
その他、第３図に示すように、Ｓｉ）！、ガス導入管（
１３）の途中にＮＨ，ガス導入管（８）を連結させ、途
中で混合させて該混合ガスをプラズマ生成管（９）に導
入させるようにしてもよい。

一般に、５ｔｕｎガス導入管の導入口とＮｔｈガス導入
管の導入口を互いに離すようにしたのは、上述の如く、
反応ガスＮＨ，の解離エネルギがＳｉＨ４よりも小さい
ためであり、ＮＨ，の解離が５ｉｎ４よりも早く進むか
らである。

従って、この第２実施例においては、導入するＮＨ３の
量を通常の場合と比して同じかそれ以下にすることが望
ましい。また、第４図及び第５図に示すように、ＮＨ，
ガス導入管（８）の導入口（８ａ、）及び（８ａｚ）を
５ｉＨａガス導入管（１３）の導入口（１３ａ）の近傍
及び窓（５）の近傍に設けるようにして、再導入口（８
ａ　ｌ）及び（８ａｚ）からのＮＨ３ガスの量の比率を
適宜制御するようにしてもよい。

そして、図示しないが、上記第１実施例と第２実施例と
を組合せることより成膜速度の高速化及び膜質の向上を
より効率よく図ることが可能となる。

尚、上記第１及び第２実施例は、希ガスとしてアルゴン
Ａｒ、光源（６）としてＡｒＦレーザ、反応ガスとして
ＳｉＨ４及びＮＨ３を用いたが、その他、希ガスとして
アルゴンＡｒに限らずＨｅ、　Ｎｅ、　Ｋｒ、　Ｘｅ等
を用いることができ、また、光源（６）としてＡｒＦレ
ーザに限らずＫｒＦレーザ、　Ｘｅｃｌレーザ、低圧水
銀ランプ、Ｄ２ランプ、Ｘｅ　−Ｂｙプラズマを用いる
ことができ、また、反応ガスとして５ｉＨ４ｔＳＩＨ６
１５ｔＨｓのいずれか又はそれらのうちの複数を組合せ
たものと、Ｈｚ、　ＮＨｓ　、　ＮｚＯ、ＮＱｚ　、Ｏ
ｘのいずれか又はそれらのうちの複数を組み合せたもの
とを混合したもの、又は単独のものを用いることができ
る。

〔発明の効果〕

本発明に係る光反応装置は、光反応室内に被膜基体を支
持するサセプタを有し、上記光反応室に設けた窓を介し
て透過された光源からの光と上記光反応室内に導入され
た反応ガスにより、上記証膜基体に対し薄膜を気相成長
させる光反応装置において、上記光反応室近傍に希ガス
導入手段と希ガス励起手段を設けると共に、上記希ガス
励起手段を上記サセプタに関して非垂直に配して構成す
るようにしたので、成膜速度の高速化が図れると共に、
装置自体の小型化をも図ることができる。

図面の簡単な説明 第１図は第１実施例に係る光反応装置を示す模式的構成
図、第２図は第２実施例に係る光反応装置を示す模式的
構成図、第３図は第２実施例の変形例を示す模式的構成
図、第４図及び第５図は第２実施例の他の変形例を示す
模式的構成図、第６図は提案例に係る光反応装置を示す
模式的構成図である。

（Ａ）、（Ｂ）は光反応装置、（１）は光反応室、（２
）はサセプタ、（３）は半導体ウェーハ、（４）はヒー
タ、（５）は窓、（６）は光源、（７）はレーザ光、（
８）はＮＨ，ガス導入管、（９）はプラズマ生成管、（
１０）はプラズマ生成室、（１２）は励磁コイル、（１
３）はＳｉＨ，ガス導入管、（１４）はマイクロ波導波
管、（１５）はプラズマ導入管である。

鼾実於例を宝り槙へ口 第２図 ド尤及ル窒 ２・・・ブ乞フ゛り 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光反応室内に被膜基体を支持するサセプタを有し、上記
   光反応室に設けた窓を介して透過された光源からの光と
   上記光反応室内に導入された反応ガスにより、上記被膜
   基体に対し薄膜を気相成長させる光反応装置において、 上記光反応室近傍に希ガス導入手段と希ガス励起手段が
   設けられると共に、上記希ガス励起手段が上記サセプタ
   に関して非垂直に配されてなる光反応装置。